第4节 基因通常是有遗传效应的DNA片段
[学习目标] 1.阅读“思考·讨论”，概括基因与DNA的关系。2.利用数学方法分析DNA的多样性和特异性。3.说明基因和遗传信息的关系。
知识点一 说明基因与DNA关系的实例
DNA都分布在染色体上吗？DNA片段都有遗传效应吗？
提示：不全都分布在染色体上，真核细胞的DNA分布在细胞核内的染色体上和细胞质中的线粒体、叶绿体中，原核细胞的DNA则分布在拟核和质粒上；不都有遗传效应，DNA片段包含有遗传效应的基因片段和无遗传效应的非基因片段。
[例] 下列关于DNA和基因相互关系的叙述，不正确的是( )
A．基因通常是具有遗传效应的DNA片段
B．生物体的DNA分子数目小于基因数目
C．基因在DNA上，DNA上所有序列都属于基因
D．基因并不是碱基对随机排列成的DNA片段
解题分析 DNA分子上分布着多个基因，基因通常是具有遗传效应的DNA片段，DNA上还包含不具有遗传效应的片段，这些片段不能称为基因。
答案 C
知识拓展
基因与染色体、DNA、脱氧核苷酸之间的关系
知识点二 DNA片段中的遗传信息
1．遗传信息：DNA分子中4种碱基的排列顺序。
2．DNA的特点
(1)多样性：碱基排列顺序的千变万化，构成了DNA的多样性。
(2)特异性：每个DNA分子都有碱基特定的排列顺序。
(3)意义
DNA分子的多样性和特异性是生物体多样性和特异性的物质基础。
3．基因概念：基因通常是有遗传效应的DNA片段。有些病毒的基因是有遗传效应的RNA片段。例如，遗传物质为RNA的人类免疫缺陷病毒(艾滋病病毒)、流感病毒等。
DNA分子如何能够储存足够多的遗传信息？
提示：不同的DNA分子中脱氧核苷酸的数目有差异，排列顺序多种多样。不同的排列顺序，可以表示不同的遗传信息，所以DNA分子能够储存足够多的遗传信息。
生物多样性和特异性的直接原因是什么？根本原因是什么？
提示：蛋白质结构的多样性和特异性。DNA分子(基因)的多样性和特异性。
[例1] 下列有关基因的叙述，不正确的是( )
A．可以准确地复制
B．能够存储遗传信息
C．是4种碱基的随机排列
D．通常是有遗传效应的脱氧核苷酸序列
解题分析 基因通常是有遗传效应的DNA片段，可以随着DNA复制而复制，A正确；其基本单位是脱氧核苷酸，脱氧核苷酸(或碱基)的排列顺序中存储遗传信息，B、D正确；每个基因有特定的碱基排列顺序，并不是4种碱基的随机排列，C错误。
答案 C
[例2] “DNA指纹技术”在刑事侦破、亲子鉴定等方面作用巨大，这主要是根据DNA具有( )
A．稳定性
B．特异性
C．多样性
D．可变性
解题分析 不同的DNA分子中脱氧核苷酸的排列顺序不同，即DNA分子具有特异性，根据这一特性可辅助进行刑事侦破、亲子鉴定等。
答案 B
知识拓展
DNA指纹具有的特点
(1)高度的特异性：除非是同卵双生，否则几乎不可能有两个人的DNA指纹图完全相同。
(2)稳定的遗传性：DNA是人的遗传物质，是由父母遗传给子女的。
(3)体细胞稳定性：同一个人的不同组织，如血液、肌肉等产生的DNA指纹图完全一致。
1．如图是果蝇染色体上的白眼基因示意图，下列叙述正确的是( )
A．白眼基因片段中，含有成百上千个核糖核苷酸
B．S基因是有遗传效应的DNA片段
C．白眼基因在常染色体上
D．基因片段中有5种碱基，8种核苷酸
答案 B
解析 白眼基因位于X染色体上，组成基因片段的基本单位是脱氧核苷酸，有4种碱基，4种脱氧核苷酸。
2．下列物质从复杂到简单的结构层次关系正确的是( )
A．染色体→DNA→脱氧核苷酸→基因
B．染色体→DNA→基因→脱氧核苷酸
C．基因→染色体→脱氧核苷酸→DNA
D．染色体→脱氧核苷酸→DNA→基因
答案 B
解析 染色体由DNA和蛋白质组成，DNA的主要载体是染色体；基因通常是有遗传效应的DNA片段，每个DNA上有很多个基因；基因的基本组成单位是脱氧核苷酸，基因的不同在于脱氧核苷酸的排列顺序不同，故从复杂到简单的结构层次是染色体→DNA→基因→脱氧核苷酸，B正确，A、C、D错误。
3．如果基因中四种碱基的排列顺序发生变化，这种变化则意味着( )
A．遗传信息的改变
B．基因数量的改变
C．基因位置的改变
D．DNA空间结构的改变
答案 A
解析 基因中碱基的排列顺序代表的就是遗传信息。
4．下图所示真核细胞中与基因有关的物质或结构，请分析并回答：
(1)细胞内的遗传物质是[ ]________，基因和b的关系是______________________________________。
(2)遗传物质的主要载体是[ ]________，基因和a的关系是________________________。
(3)c和b的关系是________________________，b被彻底水解后的产物是________(填字母)。
(4)h可用________试剂鉴定。
(5)如果基因存在于________上，则其遗传方式与性别相关联，这就是________。
(6)b的空间结构是_________________________________________________
___________________。
若其中的＝0.25，则G占总碱基数比例为________，其中一条单链中＝________。
答案 (1)b DNA 基因通常是有遗传效应的DNA(b)片段
(2)a 染色体 基因在a上呈线性排列
(3)c是组成b的基本单位 d、e、f (4)双缩脲
(5)性染色体 伴性遗传 (6)规则的双螺旋结构 40% 0.25
解析 图中a为染色体，b为DNA，c为脱氧核苷酸，d、e、f可代表磷酸、脱氧核糖、含氮碱基，g为C、H、O、N、P五种元素，h为蛋白质。
(6)b(DNA)的空间结构是规则的双螺旋结构，根据碱基互补配对原则，双链DNA中A＝T，C＝G，若其中的＝0.25＝，则G＋C＝＝，由于G＝C，则G占总碱基数的比例＝÷2＝＝40%；DNA分子的一条单链中(A＋T)与(G＋C)的比值等于其互补链和整个DNA分子中该种比例的比值，即该DNA分子中＝0.25，则其中一条单链中的值也为0.25。知识点一 对DNA复制的推测及DNA半保留复制的实验证据
1.如图表示早期科学家对DNA复制方式的两种推测。据图不能作出的推断是( )
A．全保留复制是指两个子代DNA中，一个DNA含两条母链，一个DNA含两条全新的子链
B．半保留复制是指新合成的每个DNA分子中，都保留了原来DNA分子中的一条链
C．DNA每复制一次，会使子代DNA的数目增加一倍
D．DNA的复制过程是边解旋边复制
答案 D
解析 由图可知，全保留复制是指两个子代DNA中，一个DNA含两条母链，一个DNA含两条全新的子链，A不符合题意；由图可知，半保留复制指子代DNA链中，一条为母链，一条为子链，B不符合题意。由图可知，DNA每复制一次，会使子代DNA的数目增加一倍，C不符合题意；由图无法得出DNA复制是边解旋边复制的过程这一结论，D符合题意。
知识点二 DNA复制的过程
2.某DNA分子片段为，可进行人工复制使其数量增加，复制时应给予的条件是( )
①—ATGTG—和—TACAC—作模板链 ②四种核糖核苷酸 ③四种脱氧核苷酸 ④DNA聚合酶 ⑤DNA水解酶
A．①③④
B．①②④
C．①②⑤
D．①③⑤
答案 A
解析 DNA的每一条链都作为DNA复制的模板，需要的原料是脱氧核苷酸，需要DNA聚合酶，不需要DNA水解酶。
3．如图为某真核细胞中DNA复制过程模式图，下列分析错误的是( )
A．酶①和酶②均作用于氢键
B．该过程可发生在细胞有丝分裂前的间期或减数分裂Ⅰ前的间期
C．该过程的模板链是a、b链
D．DNA复制的特点是半保留复制
答案 A
解析 酶①是解旋酶，酶②是DNA聚合酶，前者作用于氢键，后者作用于磷酸二酯键，A错误；该过程需要a、b链分别作模板，c、d链分别是以a、b链为模板合成的子链，C正确；细胞有丝分裂前的间期或减数分裂Ⅰ前的间期会发生DNA复制，B正确；DNA分子复制具有半保留复制的特点，D正确。
4．DNA一般能准确复制，其原因是( )
①DNA规则的双螺旋结构为复制提供模板 ②DNA复制发生于细胞周期的间期 ③碱基互补配对是严格的 ④产生的两个子代DNA均和亲代DNA相同
A．②④
B．②③
C．①④
D．①③
答案 D
解析 具有规则的双螺旋结构的DNA经解旋后为复制提供两条模板链(即复制的标准)，①正确；严格的碱基互补配对原则保证了DNA复制的准确性，③正确。
5．真核细胞中DNA的复制如图所示，下列表述错误的是( )
A．多起点双向复制能保证DNA复制在短时间内完成
B．每个子代DNA都有一条核苷酸链来自亲代
C．复制过程中氢键的破坏和形成都需要DNA聚合酶的催化
D．DNA分子的准确复制依赖于碱基互补配对原则
答案 C
解析 DNA复制过程中氢键的破坏需要解旋酶的催化，氢键的形成不需要酶的催化。
知识点三 与DNA复制相关的计算
6.将大肠杆菌置于含15N的培养基中培养一段时间，然后把DNA被15N完全标记的大肠杆菌作为亲代，转移到只含14N的普通培养基培养，使其繁殖两代形成4个新个体，则它们的DNA中含14N的脱氧核苷酸链与含15N的脱氧核苷酸链的比是( )
A．3∶1
B．2∶1
C．1∶1
D．7∶1
答案 A
解析 15N标记的DNA有两条含15N的链，当在含14N的培养基中培养时，根据半保留复制的特点，不论复制多少次，含15N的链永远只有2条，增加的新链都是含14N的链。题中形成了4个新个体，含有4个DNA分子，共8条单链，其中只有2条含15N，其余6条均含14N，14N链∶15N链＝6∶2＝3∶1。
7．一个不含放射性元素的噬菌体，在脱氧核苷酸被32P标记及氨基酸被15N标记的细菌体内，连续繁殖三代，含有32P和15N标记的噬菌体分别占子代噬菌体总数的比例为( )
A．100%、100%
B．25%、50%
C．50%、50%
D．25%、0
答案 A
解析 噬菌体侵染细菌后在亲代噬菌体的DNA的作用下，以细菌细胞内的脱氧核苷酸和氨基酸为原料合成子代噬菌体的DNA和蛋白质外壳。细菌细胞内脱氧核苷酸被32P标记，氨基酸被15N标记，则后代每个噬菌体都含有32P和15N。
知识点四 基因通常是有遗传效应的DNA片段
8.下列有关基因的叙述中，错误的是( )
A．基因是DNA或RNA分子上的一个片段
B．DNA分子上的每一个片段都是基因
C．DNA分子的结构发生改变，基因的结构不一定发生改变
D．真核细胞的核基因位于染色体上，在染色体上呈线性排列
答案 B
解析 基因通常是有遗传效应的DNA片段，在某些病毒中，基因是有遗传效应的RNA片段，A正确；基因通常是有遗传效应的DNA片段，有些DNA片段可具有遗传效应，B错误；DNA分子的非基因结构发生改变，不会引起基因结构变化，C正确；染色体是基因的主要载体，基因在染色体上呈线性排列，D正确。
[能力提升]
9．如图为真核细胞内某DNA片段(15N标记)结构示意图，共有1000对脱氧核苷酸组成，其中碱基A占20%。下列说法正确的是( )
A．该DNA片段复制3次，则需要游离的鸟嘌呤脱氧核苷酸2800个
B．该DNA片段的一条核苷酸链中为3∶2
C．解旋酶作用于①部位，DNA聚合酶用于催化②部位的化学键构成
D．将该DNA片段置于14N培养液中复制3次后，含14N的DNA分子占
答案 B
解析 由题干可知，该DNA片段中碱基A有400个，根据碱基互补配对原则，A＝T＝400个，C＝G＝600个，该DNA片段复制3次，则需要游离的鸟嘌呤脱氧核苷酸为600×(23－1)＝4200(个)，A错误；由于碱基A占20%，因此碱基T占20%，碱基C占30%，碱基G占30%，该DNA片段的两条脱氧核苷酸链中为3∶2，则该DNA片段的一条脱氧核苷酸链中也为3∶2，B正确；DNA聚合酶用于催化①部位的化学键形成，解旋酶作用于②部位，C错误；将该DNA片段置于14N培养液中复制3次后，子代DNA分子全部含有14N，D错误。
10．用15N标记含有100个碱基对的DNA分子，其中有胞嘧啶60个。该DNA分子在14N培养基中连续复制4次，其结果可能是( )
A．含有14N的DNA占100%
B．复制过程中需游离的腺嘌呤脱氧核苷酸640个
C．含15N的单链占
D．子代DNA中嘌呤与嘧啶之比是2∶3
答案 A
解析 由于DNA分子的复制是半保留复制，最终只有2个子代DNA各含1条15N链，1条14N链，其余DNA都只含14N，故全部子代DNA都含14N，A正确；含有100个碱基对200个碱基的DNA分子，其中有胞嘧啶60个，解得A＝40个，故复制过程中需腺嘌呤脱氧核苷酸的个数为(24－1)×40＝600，B错误；DNA复制为半保留复制，不管复制几次，最终子代DNA都保留亲代DNA的2条母链，故最终有2个子代DNA含15N，所以含有15N的DNA分子占，含15N的单链占＝，C错误；在双链DNA分子中，C＝G，A＝T，所以(A＋G)∶(T＋C)＝1∶1，D错误。
11．下面甲图中DNA分子有a和d两条链，将甲图中某一片段放大后如乙图所示，结合所学知识回答下列问题。
(1)从甲图可看出DNA复制的方式是________。
(2)甲图中，A和B均是DNA分子复制过程中所需要的酶，其中B能将单个的脱氧核苷酸连接成脱氧核苷酸链，从而形成子链；则A是________酶，B是________酶。
(3)图甲过程在绿色植物叶肉细胞中进行的场所有______________________________________。
(4)乙图中，7是________________________________。DNA分子的基本骨架由________________________交替连接而成；DNA分子两条链上的碱基通过________连接成碱基对，并且遵循______________原则。
答案 (1)半保留复制
(2)解旋 DNA聚合
(3)细胞核、线粒体、叶绿体
(4)胸腺嘧啶脱氧核苷酸 脱氧核糖和磷酸 氢键 碱基互补配对
解析 (1)DNA复制的方式是半保留复制，即子代DNA保留了母链的一条。
(2)由图示知，A酶是解旋酶，破坏了DNA分子中两条链中的氢键，使DNA分子解开螺旋；B酶催化DNA子链的合成，为DNA聚合酶。
(3)图甲为DNA复制，发生在绿色植物叶肉细胞的细胞核、线粒体和叶绿体中。
(4)图乙中4为胸腺嘧啶，5为脱氧核糖，6为磷酸，三者构成的7为胸腺嘧啶脱氧核苷酸。
12．下列是对DNA复制方式的探究实验，请分析并回答：
(1)实验方法：____________标记技术和密度离心技术。
(2)实验原理：含15N的双链DNA分子密度大，含14N的双链DNA分子密度小，一条链含14N、一条链含15N的双链DNA分子____________。
(3)实验假设：______________________________。
(4)实验预期：离心后应出现________条DNA带。
①重带(密度最大)：两条链都为15N标记的亲代双链DNA。
②中带(密度居中)：一条链为14N标记，另一条链为15N标记的子代双链DNA。
③轻带(密度最小)：两条链都为14N标记的子代双链DNA。
(5)实验过程
(6)结果及结论分析，若立即取出：提取DNA→离心→全部位于重带；
细胞分裂一次(即细菌繁殖一代)取出：提取DNA→离心→________位于中带；
细胞分裂两次(即细菌繁殖两代)取出：提取DNA→离心→________位于中带、________位于轻带；
则DNA复制是以________方式进行的。
答案 (1)同位素 (2)密度居中
(3)DNA分子以半保留的方式复制
(4)3 (6)全部 一半 一半 半保留
